基于可拓學(xué)與CAI技術(shù)的無(wú)塵黑板專利規(guī)避設(shè)計(jì)

李千靜，成思源，陳曉菁，楊雪榮，陳 斌

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

可拓學(xué)是由中國(guó)學(xué)者蔡文教授于1983年提出的一門(mén)原創(chuàng)性橫斷學(xué)科[1]，以形式化的模型探討事物拓展的可能性和開(kāi)拓創(chuàng)新的規(guī)律與方法，并用于處理矛盾問(wèn)題?？赏貙W(xué)是解決矛盾問(wèn)題的理論和方法體系，通過(guò)形式化模型的描述和運(yùn)算等操作解決矛盾問(wèn)題，具有可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。TRIZ (Theory of the Solution of Inventive Problems, 發(fā)明問(wèn)題解決理論)由蘇聯(lián)的根里奇·阿奇舒勒(Genrich Altshuller)于1946年所創(chuàng)立，主要用于解決工程矛盾問(wèn)題。楊春燕等[2]在可拓創(chuàng)新方法與TRIZ的比較分析中提出在解決矛盾問(wèn)題時(shí)可拓創(chuàng)新方法與TRIZ方法相比更具有普適性，同時(shí)可拓創(chuàng)新方法與TRIZ具有互補(bǔ)性。而多年的研究發(fā)現(xiàn)TRIZ理論與可拓學(xué)在解決矛盾問(wèn)題方面不僅可以互相彌補(bǔ)缺陷而且有相似之處，因此學(xué)者針對(duì)兩種理論的集成進(jìn)行了研究，唐文艷等[3]結(jié)合TRIZ與可拓學(xué)提出了基于折疊紙打印夾的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。江帆等[4]將TRIZ與可拓創(chuàng)新方法融合，形成產(chǎn)品優(yōu)化創(chuàng)新方法，并運(yùn)用到可變方桌的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出可變面積方桌。張文林等[5]在功能模型中引入可拓基元模型，使系統(tǒng)的功能模型能清楚表達(dá)出組件的屬性以及組件間的相互關(guān)系。江帆等[6]提出了基于TRIZ與可拓學(xué)的盤(pán)類鑄件打磨方案設(shè)計(jì)?；S偉等[7]提出了基于因果分析的事元蘊(yùn)含系方法。樓烔烔等[8]針對(duì)TRIZ在解決矛盾問(wèn)題時(shí)存在初始問(wèn)題分析難、發(fā)明原理具體化難等問(wèn)題，進(jìn)行了基于可拓創(chuàng)新方法的改進(jìn)TRIZ研究。郭恒發(fā)等[9]將融合可拓學(xué)與TRIZ的產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)意生成方法運(yùn)用到手機(jī)充電器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，獲得了多個(gè)具有可行性的創(chuàng)意方案。雖然TRIZ理論能提供創(chuàng)新的指導(dǎo)方向，但是具體的創(chuàng)意設(shè)計(jì)更多依賴于設(shè)計(jì)工作者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，為此，隨著計(jì)算機(jī)時(shí)代的發(fā)展，基于TRIZ理論的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新(Computer Aided Innovation，CAI)軟件被開(kāi)發(fā)，并得到很好的發(fā)展，CAI可以輔助設(shè)計(jì)人員在創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)不再受限于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)[10]。付敏等[11]將TRIZ 和CAI結(jié)合得到新的創(chuàng)新問(wèn)題解決流程，在概念設(shè)計(jì)階段該流程能有效地解決創(chuàng)新過(guò)程目標(biāo)模糊的特點(diǎn)。管芳景[12]將基于TRIZ理論的CAI應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)中，證明了CAI的出現(xiàn)是對(duì)制造業(yè)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)體系的發(fā)展和完善。羅佳龍等[10]提出了基于計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件Pro/Innovator的功能分析與創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程。把基于TRIZ理論的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件與可拓學(xué)相結(jié)合，將有利于發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)。Goldfire是CAI軟件中的一種，該軟件以TRIZ理論為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代方法學(xué)、價(jià)值工程和全球?qū)＠麕?kù)等方法學(xué)科，為用戶提供全面的創(chuàng)新解決方案，而且該軟件更加容易分析、解決問(wèn)題以及產(chǎn)生最優(yōu)的創(chuàng)新方法[13]。

傳統(tǒng)的面授課堂主要采用粉筆板書(shū)的授課方式，與多媒體教學(xué)相比黑板板書(shū)的授課方式更為直觀和系統(tǒng)，更有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)與理解，所以黑板在課堂中的使用仍然是效率最高的[14]。因此，以降塵為目的的無(wú)塵黑板出現(xiàn)在市場(chǎng)上，降塵的主要方式是增加吸塵裝置，更改黑板擦的集塵效果等，但是這些措施只是加快粉塵飄落的速度、降低空中粉塵的含量，并不能從根源上解決粉塵問(wèn)題。本文以專利CN201810225639.8一種自動(dòng)擦拭的無(wú)塵黑板[15]為研究對(duì)象，利用可拓學(xué)與機(jī)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件Goldfire對(duì)該專利進(jìn)行深入的系統(tǒng)分析，并使用它們的創(chuàng)新工具對(duì)該專利進(jìn)行創(chuàng)新規(guī)避設(shè)計(jì)，得到最終創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案并判斷其可行性，通過(guò)該流程的應(yīng)用為其他產(chǎn)品的專利規(guī)避提供借鑒。

1 系統(tǒng)工作原理分析與問(wèn)題識(shí)別

將Goldfire軟件與可拓學(xué)結(jié)合的專利規(guī)避設(shè)計(jì)流程是：在確定好規(guī)避專利對(duì)象后，用Goldfire進(jìn)行功能分析以初步識(shí)別系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件和關(guān)鍵功能；再對(duì)關(guān)鍵組件與關(guān)鍵功能建立基元模型實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的識(shí)別；緊接著選擇規(guī)避路徑并用可拓變換方法形式化地表達(dá)出規(guī)避操作以獲得可拓規(guī)避模型，規(guī)避模型中的新問(wèn)題需要用TRIZ工具找出其啟發(fā)性原理解；并通過(guò)可拓創(chuàng)新方法中的發(fā)散樹(shù)方法與Goldfire的知識(shí)庫(kù)查找出原理解在不同領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例以獲得新的啟發(fā)，將啟發(fā)應(yīng)用到專利規(guī)避設(shè)計(jì)中便得到新的設(shè)計(jì)方案，最后判斷其可行性。

Goldfire的專利規(guī)避模塊可以建立專利產(chǎn)品的功能模型和運(yùn)用TRIZ理論進(jìn)行問(wèn)題求解。功能分析是TRIZ中分析問(wèn)題的工具，它可以識(shí)別系統(tǒng)組件、超系統(tǒng)組件和系統(tǒng)中的有用、不足、過(guò)剩和有害功能[16]?；Ｐ褪强赏貙W(xué)中用于形式化、模型化表示物、事和關(guān)系的基本元，基元的三要素分別是對(duì)象O (物、動(dòng)作或關(guān)系名詞)、對(duì)象O 的特征C 和對(duì)象O 關(guān)于特征C 的量值V ?；Ｐ涂缮钊敕治鰧＠a(chǎn)品組件和組件間的相互作用關(guān)系的相關(guān)參數(shù)[17]。功能分析包括組件分析、相互作用分析和建立功能模型3個(gè)步驟。經(jīng)功能分析所得的功能模型能獲取產(chǎn)品組件和功能的基本信息，卻不能表達(dá)出組件的參數(shù)與造成功能不足的關(guān)鍵性因素，而可拓基元模型能有效表達(dá)出組件的參數(shù)與影響功能性能的關(guān)鍵性因素，因此基元模型與功能分析的結(jié)合能有效識(shí)別系統(tǒng)存在的具體問(wèn)題。

1.1 工作原理分析

在Goldfire檢索框輸入關(guān)鍵詞“無(wú)塵黑板”，得到多個(gè)相關(guān)專利。選擇專利CN201810225639.8一種自動(dòng)擦拭的無(wú)塵黑板[15]為研究對(duì)象，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該專利將板面設(shè)置成傳送帶結(jié)構(gòu)安裝在卷軸上，通過(guò)減速器與聯(lián)軸器將電機(jī)與卷軸連接，使板面可轉(zhuǎn)動(dòng)。該裝置還設(shè)有棉布、供水裝置與供風(fēng)裝置，供水裝置用于加濕棉布，供風(fēng)裝置用于烘干棉布，棉布在板面轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由兩者之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)擦拭。此外，廢水箱用于收集廢水以供重復(fù)使用。

1.2 建立功能模型和基元模型

圖1 一種自動(dòng)擦拭的無(wú)塵黑板Fig.1 Dust-free blackboard with automatic wiping function

進(jìn)入Goldfire專利規(guī)避設(shè)計(jì)模塊，選擇產(chǎn)品高級(jí)設(shè)計(jì)，開(kāi)始專利產(chǎn)品的功能分析。點(diǎn)擊圖2所示的Build Model Wizard可以通過(guò)查找組件(Find Elements)找到專利產(chǎn)品的系統(tǒng)、超系統(tǒng)和目標(biāo)組件，并使用工具欄建立功能模型。該軟件建立功能模型有4步：一是找到系統(tǒng)組件；二是找到超系統(tǒng)組件；三是找到目標(biāo)組件；四是定義組件間的功能。

根據(jù)上述的步驟，找到系統(tǒng)組件為電機(jī)、減速箱、聯(lián)軸器、軸承座、卷軸、黑板布、殼體、棉布、排污管、廢水箱、進(jìn)風(fēng)管、供風(fēng)裝置、供水裝置、水泵、進(jìn)水管；超系統(tǒng)組件為空氣、水、電源、粉筆；目標(biāo)是粉塵。接著通過(guò)工具欄對(duì)組件間的功能進(jìn)行定義，得到如圖3所示的功能模型圖。

圖2 Goldfire建立功能模型步驟圖Fig.2 Steps for Goldfire to build functional model

圖3 無(wú)塵黑板功能模型Fig.3 Functional modelof dust-free blackboard

通過(guò)分析功能模型可知，整個(gè)產(chǎn)品的目標(biāo)功能是防止粉塵，與防止粉塵相關(guān)的組件功能為棉布對(duì)黑板布的擦拭功能和棉布對(duì)粉塵的吸附功能。產(chǎn)品的整體雖然能有效地降低粉塵的含量，但因?yàn)橐苑酃P作為書(shū)寫(xiě)工具，所以在書(shū)寫(xiě)時(shí)仍會(huì)有粉塵的飄落，表現(xiàn)為不足功能。此外，棉布雖然固定在殼體內(nèi)，但由于棉布與黑板布之間長(zhǎng)時(shí)間存在摩擦力會(huì)使棉布逐漸處于非拉緊狀態(tài)，而不能完全擦干凈黑板布，同時(shí)對(duì)粉塵的吸附作用也會(huì)降低，所以擦拭功能和吸附功能表現(xiàn)為功能不足。分析可知與系統(tǒng)的目標(biāo)功能相關(guān)的關(guān)鍵組件為粉筆與粉塵，與擦拭功能相關(guān)的關(guān)鍵組件是棉布與黑板布，與吸附功能相關(guān)的關(guān)鍵組件為黑板布。對(duì)關(guān)鍵組件和組件之間的關(guān)系建立基元模型。

(1) 建立物元系統(tǒng)

相關(guān)系統(tǒng)組件為

超系統(tǒng)為

目標(biāo)組件為

(2) 建立功能事元與關(guān)系元

2 規(guī)避目標(biāo)專利

專利文獻(xiàn)上由摘要、權(quán)利要求書(shū)、說(shuō)明書(shū)和附圖組成，而權(quán)利要求書(shū)記錄著專利產(chǎn)品的核心技術(shù)的關(guān)鍵部分，是權(quán)利判定的依據(jù)[18]。專利規(guī)避設(shè)計(jì)是通過(guò)找出專利產(chǎn)品中的漏洞和不足，在不侵犯專利權(quán)的前提下，對(duì)這些漏洞和不足進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新，以避免專利權(quán)人進(jìn)行專利訴訟[19]。專利規(guī)避設(shè)計(jì)方法有4種：刪除必要的技術(shù)特征，防止侵犯全面覆蓋原則；替換組成要件，防止侵犯等同原則；綜合分析權(quán)利要求書(shū)、說(shuō)明書(shū)和審查檔案的內(nèi)容，合理利用禁止反悔原則和貢獻(xiàn)原則[20]。目前常用的規(guī)避方法有刪除法、替換法、合并法、分解法等。規(guī)避路徑的選擇實(shí)際上是對(duì)功能載體和功能對(duì)象進(jìn)行刪除或替換的操作，尋找可代替的對(duì)象，實(shí)現(xiàn)刪除或替換的功能載體或?qū)ο蟮墓δ?，具有一定的?guī)律性。

從功能模型可知，要從根源上徹底解決無(wú)塵的方法是裁剪掉超系統(tǒng)組件粉筆或選擇無(wú)塵材質(zhì)的筆，與此同時(shí)選擇新的黑板布材質(zhì)以服務(wù)于新筆，故需將黑板改變?yōu)樽詣?dòng)顯示字的黑板結(jié)構(gòu)或同時(shí)替換粉筆與黑板布的材質(zhì)。因多媒體教學(xué)的授課方式是在黑板上顯示字，因此應(yīng)選擇替換粉筆與黑板布材質(zhì)作為本專利規(guī)避路徑。擦拭與吸附功能的不足主要是因?yàn)槊薏嫉难b配和有效使用時(shí)間引起的。對(duì)此，選擇將系統(tǒng)組件棉布進(jìn)行刪除，需用其他資源代替棉布的主要功能，即對(duì)黑板布的擦拭作用。根據(jù)規(guī)避原則選擇刪除功能組件和用新的功能載體和對(duì)象替換的規(guī)避路徑對(duì)黑板布、粉筆和棉布進(jìn)行規(guī)避設(shè)計(jì)。因可拓變換方法中的置換變換不僅可以表達(dá)出被替換組件的特征參數(shù)，而且可形式化表達(dá)出對(duì)技術(shù)方案的規(guī)避操作，所以用可拓變換方法表達(dá)規(guī)避路徑，確定創(chuàng)新方案的初步設(shè)計(jì)思路，得到以下的可拓規(guī)避表達(dá)式

其中， O1表示代替被刪除的棉布實(shí)現(xiàn)擦拭功能的未知組件。

從以上表達(dá)式可知：對(duì)粉筆與黑板布的材質(zhì)進(jìn)行規(guī)避設(shè)計(jì)，使用新的材質(zhì)來(lái)替換粉筆與黑板布的材質(zhì)；刪去系統(tǒng)組件棉布后，用其他資源來(lái)實(shí)現(xiàn)擦拭功能。通過(guò)功能模型分析可知，對(duì)棉布進(jìn)行規(guī)避設(shè)計(jì)時(shí)，供風(fēng)裝置、供水裝置、進(jìn)風(fēng)管、進(jìn)水管、廢水箱和排污管由于傳導(dǎo)作用，即關(guān)聯(lián)作用，也不再需要。通過(guò)可拓基元模型與可拓變換方法的分析可知，對(duì)黑板布進(jìn)行規(guī)避設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)需刪除整個(gè)黑板布和重新設(shè)計(jì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)，只需對(duì)其材質(zhì)進(jìn)行規(guī)避設(shè)計(jì)，降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜程度即可。

3 求解規(guī)避模型

上述規(guī)避操作對(duì)系統(tǒng)的組件進(jìn)行刪除和置換，導(dǎo)致系統(tǒng)的可操作性降低，使得系統(tǒng)出現(xiàn)了技術(shù)矛盾，即參數(shù)物質(zhì)或事物的數(shù)量得到了改善，但可操作性參數(shù)惡化了。在Goldfire平臺(tái)輸入這一對(duì)技術(shù)矛盾參數(shù)，即可得到解決該矛盾的發(fā)明原理[16]和相關(guān)案例，得到的發(fā)明原理包括：物理或化學(xué)參數(shù)的改變?cè)?5、氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理29、自服務(wù)原理25、預(yù)先作用原理10。由Goldfire給出的例子分析可知，第29、25、10條發(fā)明原理對(duì)解決本產(chǎn)品系統(tǒng)的問(wèn)題不合適，故選用第35條物理或化學(xué)參數(shù)的改變?cè)恚焊淖円粋€(gè)對(duì)象或系統(tǒng)的屬性，使其提供某種有用功能。

受該發(fā)明原理的啟發(fā)知，應(yīng)從規(guī)避對(duì)象的功能出發(fā)尋求解決該技術(shù)矛盾的方法。將該啟發(fā)與規(guī)避模型相聯(lián)系可知，經(jīng)可拓變換后的組件應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)原組件所實(shí)現(xiàn)的功能。即黑板布 D1(替換黑板布的組件)與筆 D2(替換粉筆的組件)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)黑板布和粉筆所實(shí)現(xiàn)的功能 A4，另外，待確定組件O1應(yīng)能代替棉布實(shí)現(xiàn)擦拭功能。用發(fā)散樹(shù)方法表示寫(xiě)字和擦拭功能的不同實(shí)現(xiàn)方法，得到以下可拓模型表示式

分析可知，寫(xiě)字是因?yàn)樽志哂锌梢?jiàn)性可以傳遞信息，擦拭黑板布的目的是去除黑板布上的字跡，因此，變換后的組件也應(yīng)實(shí)現(xiàn)字的可見(jiàn)性和可消除的特點(diǎn)。根據(jù)物理性質(zhì)：物體對(duì)光的吸收與反射的性質(zhì)可知，不同光照射物體時(shí)會(huì)出現(xiàn)光被反射或光被吸收的現(xiàn)象。由此考慮使用光的物理性質(zhì)作為上述表達(dá)式(1)、(2)的解，即不同的光下黑板布顯示的顏色可變。

經(jīng)上述分析可知，可將黑板布的可書(shū)寫(xiě)性改變?yōu)榭勺兩?，即用可變色材料替換原有黑板布，在Goldfire中通過(guò)關(guān)鍵詞“變色”進(jìn)行專利檢索，再分別依據(jù)關(guān)鍵詞“發(fā)明專利”“已授權(quán)”“材料應(yīng)用”“激光”等縮小結(jié)果范圍，從結(jié)果中找到一種光致變色材料，該材料可在紫光下顯示黑色，紅光下褪色，將其應(yīng)用可拓規(guī)避模型中有

由以上表達(dá)式對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到如圖4所示的新的產(chǎn)品方案，該方案仍將板面設(shè)置成傳送帶結(jié)構(gòu)，電機(jī)與卷軸通過(guò)齒輪連接，并增加了模塊D調(diào)整板面的松緊程度了，而安裝在殼體上的蝸桿9、蝸輪10以及殼體背后的絲桿能帶動(dòng)黑板整體上下移動(dòng)。在書(shū)寫(xiě)時(shí)可用激光筆發(fā)出紫光書(shū)寫(xiě)文字，激光筆另一端可發(fā)出紅光有助于書(shū)寫(xiě)時(shí)局部修改，在殼體內(nèi)兩側(cè)分別裝有一豎排發(fā)出紅光的燈，可對(duì)整個(gè)板面進(jìn)行擦拭。本設(shè)計(jì)用了光致變色材料，使用時(shí)不需粉筆書(shū)寫(xiě)，使課堂實(shí)現(xiàn)完全的無(wú)塵，減少對(duì)人體的傷害。

圖4 新黑板方案Fig.4 New blackboard scheme

4 方案評(píng)價(jià)與分析

本設(shè)計(jì)方案減少了供風(fēng)裝置、供水裝置、進(jìn)風(fēng)管、進(jìn)水管、廢水箱和排污管，并且用光致變色材料作為黑板布，擦拭的方式不再用棉布，書(shū)寫(xiě)的方式變?yōu)榧す夤P書(shū)寫(xiě)，與原技術(shù)方案不同，且改進(jìn)的新方案不是原方案的上位或下位概念，是本領(lǐng)域技術(shù)人員經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性活動(dòng)才能想到的方法，根據(jù)侵權(quán)原則、全面覆蓋原則與等同原則，可確認(rèn)本方案沒(méi)有侵權(quán)。

本方案的創(chuàng)新點(diǎn)：一、將可拓學(xué)與TRIZ理論結(jié)合，利用Goldfire軟件中TRIZ求解工具解決規(guī)避問(wèn)題得到方案解，并通過(guò)專利性分析驗(yàn)證其效果。二、將光致變色材料引入無(wú)塵黑板的設(shè)計(jì)中，利用材料的變色性能，實(shí)現(xiàn)書(shū)寫(xiě)與擦拭，解決粉塵對(duì)人體傷害的問(wèn)題。此外，在結(jié)構(gòu)上，加入調(diào)整板面松緊的結(jié)構(gòu)，便于黑板布的安裝，還加入了蝸輪蝸桿，讓黑板整體可以上下調(diào)整，適應(yīng)教學(xué)環(huán)境。

5 結(jié)論

TRIZ理論具有系統(tǒng)的分析與求解工具，總結(jié)了解決工程領(lǐng)域問(wèn)題的原理與效應(yīng)，可幫助設(shè)計(jì)者擺脫思維慣性，獲得不同領(lǐng)域的求解方向，但其工具較為抽象，分析問(wèn)題停留在組件層面?？赏貙W(xué)可以通過(guò)形式化模型表達(dá)事物的特征，深入分析事物存在的問(wèn)題，了解導(dǎo)致問(wèn)題的關(guān)鍵特征。將可拓學(xué)引入到TRIZ理論專利規(guī)避設(shè)計(jì)中，能充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，起到互補(bǔ)作用。以TRIZ理論為核心的CAI技術(shù)提供了明確的操作流程，便于分析、確定問(wèn)題組件，同時(shí)也為可拓變換后的規(guī)避模型提供求解思路以及應(yīng)用實(shí)例。